WO2006015722A1 - Device and method for displaying a static or moving picture - Google Patents

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WO2006015722A1
WO2006015722A1 PCT/EP2005/008121 EP2005008121W WO2006015722A1 WO 2006015722 A1 WO2006015722 A1 WO 2006015722A1 EP 2005008121 W EP2005008121 W EP 2005008121W WO 2006015722 A1 WO2006015722 A1 WO 2006015722A1
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screen
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laser light
laser
transmitted
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PCT/EP2005/008121
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Christoph Rickers
Matthias Fahland
Christian Von Kopylow
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Bremer Institut Für Angwandte Strahlforschung
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Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for displaying static or moving images with a laser light source and a screen. Such methods offer the possibility of photos, video data or even
  • the image walls used in projecting processes generally have diffuse scattering, i. not reflecting
  • Speckle interference always occurs when two coherent wave trains of the laser light are reflected at closely adjacent points. If this reflective structure is smaller than the resolution of the eye, these wave trains are imaged on the retina of the observer at one point and come there due to the high coherence length of the laser light to interference. These interferences are the reason that in a uniformly illuminated beam spot differences in brightness occur, which as Grainy or speckled pattern can be perceived. If the user moves so far away from the beam spot that the pattern can no longer be resolved, the beam spot appears with a temporally varying or pulsating brightness distribution. Speckle interferences thus always occur when the reflecting or transmitting surfaces have a structure size in the range of the light wavelength.
  • the high brilliance of the laser light is of primary importance.
  • Brilliance in this context means the number of photons per phase space element, i. per wavelength range, per spatial coordinate and per spatial angle element.
  • the large coherence length of the laser light, which causes the unwanted speckle effect, is of secondary importance for projection methods.
  • a simple method to destroy coherence is to pass the laser light through a rotating diffuser.
  • a diffuser for example, a glass plate with a rough surface is suitable. If the diffuser is at the focus of the laser beam, statistical phase variations are introduced into the beam while maintaining spatial coherence. Thus, the beam can continue to a point be focused. As the unfocused beam passes through the diffuser, both spatial and temporal coherence are resolved.
  • DE 101 18 662 A1 discloses a screen in which the coherence of the reflected laser light is resolved by volume dispersion of the laser light in a layer of constant thickness applied to the screen, thus avoiding the speckle effect.
  • polytetrafluoroethylene is suitable as a scattering layer.
  • the layer thickness is adapted to the coherence length of the laser light so that a reduction of the speckle effect by a gewünsch ⁇ tes measure occurs.
  • the layer thickness is chosen to be greater than one tenth of the coherence length.
  • this screen also provides satisfactory results only with low coherence length laser light sources.
  • Another disadvantage is that changes to the projection unit always require changes to the screen.
  • the invention is based on the technical problem of specifying a device for displaying static or moving images with a laser light source and a screen, in which no speckle interference or speckle interference occurring are reduced so much that they are no longer perceived disturbing.
  • the screen should not be limited in terms of form and size and universal be used with all types of laser light sources. Furthermore, speckle interference should be suppressed uniformly over the entire surface of the screen.
  • the screen should be combined in a simple manner with a contrast-enhancing coating.
  • the object is achieved by a device for displaying static or moving images with a laser light source (3) and a screen (1), wherein the screen wall (1) has a structure (2), wherein a transmitted or reflected laser beam at the interface is defocused between structure and environment. Furthermore, the solution of the object in a method for displaying static or moving images with a laser light source and a screen in which at the same time incident on the screen light is reflected or transmitted in different directions.
  • the screen according to the invention can be used both as a reflective screen for incident light projection and as a transmitting screen for the transmitted light projection.
  • the structure according to the invention consists of light-impermeable elements which reflect light on its surface.
  • the invention according to the screen have a flat projection surface or be curved.
  • the structure can be embodied in a one-dimensional manner and continue in the second direction in the plane in a translationally invariant manner.
  • the structure may be performed in both directions of the screen.
  • the impression of drops, balls, spherical caps, spherical washers, cones or any free-form surfaces sitting on the surface results.
  • a harmonic surface modulation, a homogeneous angular distribution of the reflected light and an anharmonic surface modulation will cause an inhomogeneous angular distribution of the reflected light.
  • the ratio of the structure width to the diameter of the beam cross section of the laser is preferably about 1: 1.
  • the ratio of beam spot size to feature width becomes chosen such that the laser light illuminates a Struktur ⁇ element to a substantial extent, so that a width emission of the emitted light from the screen is given.
  • Structure elements are partially illuminated. To avoid, however, is the simultaneous illumination of several elements, which in turn would lead to the emission of two wave trains in one direction.
  • the feature width in this case is defined as the minimum length of a translation vector which lies in the plane of the screen and represents a feature in itself.
  • the surface of the structural elements themselves is preferably smooth, i. the roughnesses are small compared to the wavelength of the laser.
  • the surfaces of the structures have a roughness of less than half the wavelength of the useful frequency of the laser light.
  • the lateral extent of the structure is selected as a function of the beam cross section and / or the scan speed and / or the beam cross section and / or the beam diameter. In this way, it is ensured that the condition of increasing the radiation angle at each location and at any time of the image projection is ensured.
  • a structure which is approximately the size of a pixel is preferred. If the laser beam is continuously moved across the screen, the structure may move in the direction of Movement direction have an extent, which is determined by the speed of the laser beam and the Pixel ⁇ frequency. This gives the screen an asymmetrical structuring. In one embodiment of the invention, the structuring in horizontal
  • the structuring according to the invention is thus an arrangement of a multiplicity of mirrors which are designed and arranged in such a way that the interference in the observer's eye is avoided. Nevertheless, the reflected light is still coherent laser radiation.
  • a scattering in the volume of the screen is avoided and the image achieves an increased sharpness and contrast compared to the prior art.
  • the ratio of the height of the structure to the width of the emission angle of the screen according to the invention can be adjusted within wide ranges. Particularly preferred is a height to ready ratio of about 1: 8 to about 1:37.
  • a light beam incident perpendicular to the screen is deflected by a maximum of about ⁇ 40 ° to a maximum of about ⁇ 10 °.
  • the larger deflection angle is suitable in principle for image walls, which are viewed by a larger audience circle, such as cinema or video screens.
  • the viewing angle of the screen is reduced to about ⁇ 10 °.
  • Such screens are suitable, for example, for head-up displays, which address only a limited audience and should leave the environment unmolested.
  • asymmetric structuring also a screen with asymmetric emission can be achieved, which, for example, directs less light to the ceiling and the floor and still allows a wide viewing angle in the horizontal.
  • the film can be produced for example by embossing with an embossing roll.
  • embossing roll Of course, the person skilled in the art will also consider, in the case of correspondingly soft carrier materials, to structure these directly by means of an embossing roll or even a planar matrix by means of molding.
  • Further production methods of the structured screen according to the invention are sputtering or vapor deposition processes, electroplating, brushing, knife coating, spraying or dipping of the substrate material.
  • the patterns may be created by templates or by patterned photoresist masks on the substrate.
  • a laser patterning or a selective etching process may be used.
  • the person skilled in the art will select the most suitable method depending on the structure size.
  • a coating can be applied to the structure according to the invention. This is possible, for example, by sputtering or spin-coating method in a simple manner even on large areas.
  • the contour-accurate coating of the structured screen can its
  • the coating of the structured screen is particularly preferably a spectrally selectively reflecting coating, in particular a coating according to DE 199 01 970 C2 or according to DE 197 47 597 A1. These coatings selectively reflect the narrow band irradiated laser light and absorb or transmit much of the broadband ambient light. Thus, the contrast of the projected information is increased as desired. This is particularly advantageous because the achievable luminous intensity of the laser light sources can not compete with those of conventional projection lamps, such as halogen or high-pressure gas discharge lamps.
  • FIG. 1 shows a structured screen according to the invention when illuminated with a laser light source.
  • FIG. 2 shows possible structural shapes in the profile.
  • FIG. 3 shows possible arrangements of the structural elements.
  • FIG. 1 shows a screen 1 with a structuring 2 according to the invention.
  • the structural elements are in this example hemispherical on the screen 1 brought.
  • the screen according to the invention is illuminated by a laser light source 3.
  • the size of the structural elements 2 is chosen such that the beam cone 5 illuminates a plurality of structural elements 2.
  • the laser light is reflected on the surface of the structural elements 2. Due to the curvature of the surface, the light is reflected from adjacent points of impact in different directions. Therefore, wave trains from adjacent points of impact either reach only the eye of a viewer 4 or within the eye of one
  • FIG. 2 shows possible structural shapes in the profile.
  • a structure is shown in Example A, which consists of closely lined up spherical caps.
  • ball caps it is also possible to arrange these ball caps in regular, larger intervals as shown in example B.
  • Example C shows structural elements with irregular intervals. If the spacing surfaces between the structural elements in example B and C are not flat, the result is a wave structure according to example D.
  • Such a wave structure can be both one-dimensional in the manner of a corrugated sheet and two-dimensional, such as an egg box
  • FIGS. 1 and F show structures whose raised portions have a wave, ie a sinusoidal shape, in contrast, where the negative structures are replaced by plane surface elements.
  • FIG. 3 shows the structural elements according to the invention in plan view. All exemplary embodiments illustrated in FIG. 3 are two-dimensional structures which reduce speckle interference at all viewing angles.
  • Example A are round structural elements, such as spherical or sinusoidal structural elements, shown, which are lined up by simple translation of the elements by one structural width in each case.
  • Example B shows identical structural elements, but offset by half an element width in one direction, resulting in the densest possible packing of structural elements per surface element.
  • the spaced arrangement of structural elements which was shown in Figure 2 E, 2 C, 2 E and 2 F, forms in elevation Figures 3 E and 3F.
  • Structural element are offset, analogous to Figure 3 A.
  • the densest possible packing, analogous to Figure 3 B is shown in Figure 3 G.
  • these asymmetric structural elements can be arranged at a distance, as shown in Figure 3 D and 3 H.

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Abstract

The invention relates to a device and method for displaying a static or moving picture, wherein the inventive device comprises a laser light source and a screen and is characterised in that said screen has a structure at which the illuminated parts simultaneously reflect or transmit light in different directions inside a beam width.

Description

Patentanmeldung: Patent Application:
Vorrichtung und Verfahren zur Darstellung statischer oder bewegter BilderApparatus and method for displaying static or moving images
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Darstellung statischer oder bewegter Bilder mit einer Laserlichtquelle und einer Bildwand. Solche Verfahren bieten die Möglichkeit, Fotos, Videodaten oder auchThe invention relates to an apparatus and a method for displaying static or moving images with a laser light source and a screen. Such methods offer the possibility of photos, video data or even
Zahlenwerte auf großen Flächen darzustellen. Aufgrund der nahezu unbegrenzten Tiefenschärfe der Laserlichtquelle ist die Anwendung nicht auf ebene Bildwände beschränkt.Represent numerical values on large areas. Due to the almost unlimited depth of focus of the laser light source, the application is not limited to flat screens.
Die in Projektsverfahren eingesetzten Bildwände besitzen in der Regel diffus streuende, d.h. nicht spiegelndeThe image walls used in projecting processes generally have diffuse scattering, i. not reflecting
Oberflächen. Wird eine solche Oberfläche mit dem Licht eines Lasers bestrahlt, kommt es zur Ausbildung von Speckle-Interferenzen. Speckle-Interferenzen entstehen stets dann, wenn zwei kohärente Wellenzüge des Laser- lichtes an eng benachbarten Punkten reflektiert werden. Sofern diese reflektierende Struktur kleiner ist als das Auflösungsvermögen des Auges, werden diese Wellenzüge auf der Netzhaut des Betrachters in einem Punkt abgebildet und kommen dort aufgrund der hohen Kohärenzlänge des Laser- lichtes zur Interferenz. Diese Interferenzen sind der Grund dafür, dass in einem gleichmäßig ausgeleuchteten Strahlfleck Helligkeitsunterschiede auftreten, welche als Körnigkeit bzw. gesprenkeltes Muster wahrgenommen werden. Sofern der Benutzer sich soweit vom Strahlfleck entfernt, dass das Muster nicht mehr aufgelöst werden kann, erscheint der Strahlfleck mit einer zeitlich variierenden bzw. pulsierenden Helligkeitsverteilung. Speckle-Inter- ferenzen treten also stets dann auf, wenn die reflektierenden oder transmittierenden Oberflächen eine Strukturgröße im Bereich der Lichtwellenlänge aufweisen.Surfaces. If such a surface is irradiated with the light of a laser, it causes the formation of speckle interference. Speckle interference always occurs when two coherent wave trains of the laser light are reflected at closely adjacent points. If this reflective structure is smaller than the resolution of the eye, these wave trains are imaged on the retina of the observer at one point and come there due to the high coherence length of the laser light to interference. These interferences are the reason that in a uniformly illuminated beam spot differences in brightness occur, which as Grainy or speckled pattern can be perceived. If the user moves so far away from the beam spot that the pattern can no longer be resolved, the beam spot appears with a temporally varying or pulsating brightness distribution. Speckle interferences thus always occur when the reflecting or transmitting surfaces have a structure size in the range of the light wavelength.
Für die Laserprojektion statischer oder bewegter Bilder ist in erster Linie die hohe Brillanz des Laserlichtes von Bedeutung. Als Brillanz wird in diesem Zusammenhang die Anzahl der Photonen pro Phasenraumelement verstanden, d.h. pro Wellenlängenbereich, pro Ortskoordinate und pro Raum¬ winkelelement. Die große Kohärenzlänge des Laserlichtes, welche den unerwünschten Speckle-Effekt verursacht, ist für Projektionsverfahren von untergeordneter Bedeutung.For the laser projection of static or moving images, the high brilliance of the laser light is of primary importance. Brilliance in this context means the number of photons per phase space element, i. per wavelength range, per spatial coordinate and per spatial angle element. The large coherence length of the laser light, which causes the unwanted speckle effect, is of secondary importance for projection methods.
Um den Speckle-Effekt zu minimieren, ist es nach dem Stand der Technik bekannt, entweder die Kohärenz des Laser¬ lichtes aufzulösen oder durch ausreichend schnelle, zeitliche Variation der Speckle-Interferenzen innerhalb der Integrationszeit des Auges den Speckle-Kontrast zu verringern.In order to minimize the speckle effect, it is known in the prior art either to dissolve the coherence of the laser light or to reduce the speckle contrast by sufficiently rapid temporal variation of the speckle interferences within the integration time of the eye.
Ein einfaches Verfahren zur Zerstörung der Kohärenz besteht darin, das Laserlicht durch einen rotierenden Diffusor zu leiten. Als Diffusor eignet sich beispielsweise eine Glasplatte mit einer rauen Oberfläche. Sofern sich der Diffusor am Fokus des Laserstrahles befindet, werden statistische Phasenvariationen in den Strahl eingefügt während die räumliche Kohärenz erhalten bleibt. Damit kann der Strahl weiterhin auf einen Punkt fokussiert werden. Sofern der unfokussierte Strahl durch den Diffusor geleitet wird, wird sowohl die räumliche als auch die zeitliche Kohärenz aufgelöst.A simple method to destroy coherence is to pass the laser light through a rotating diffuser. As a diffuser, for example, a glass plate with a rough surface is suitable. If the diffuser is at the focus of the laser beam, statistical phase variations are introduced into the beam while maintaining spatial coherence. Thus, the beam can continue to a point be focused. As the unfocused beam passes through the diffuser, both spatial and temporal coherence are resolved.
Die DE 101 18 662 Al offenbart eine Bildwand, bei welcher durch Volumenstreuung des Laserlichtes in einer auf die Bildwand aufgebrachten Schicht mit konstanter Dicke die Kohärenz des reflektierten Laserlichtes aufgelöst wird und somit der Speckle-Effekt vermieden wird. Als Streuschicht eignet sich gemäß der Lehre der DE 101 18 662 Al bei- spielsweise Polytetrafluorethylen. Die Schichtdicke ist dabei an die Kohärenzlänge des Laserlichtes so angepasst, dass eine Reduktion des Speckle-Effektes um ein gewünsch¬ tes Maß eintritt. Vorteilhaft wird die Schichtdicke größer als ein Zehntel der Kohärenzlänge gewählt. Somit liefert auch diese Bildwand nur bei Laserlichtquellen mit niedriger Kohärenzlänge zufrieden stellende Ergebnisse. Nachteilig ist weiterhin, dass Änderungen an der Projektionseinheit stets auch Änderungen an der Bildwand erfordern.DE 101 18 662 A1 discloses a screen in which the coherence of the reflected laser light is resolved by volume dispersion of the laser light in a layer of constant thickness applied to the screen, thus avoiding the speckle effect. According to the teaching of DE 101 18 662 A1, for example, polytetrafluoroethylene is suitable as a scattering layer. The layer thickness is adapted to the coherence length of the laser light so that a reduction of the speckle effect by a gewünsch¬ tes measure occurs. Advantageously, the layer thickness is chosen to be greater than one tenth of the coherence length. Thus, this screen also provides satisfactory results only with low coherence length laser light sources. Another disadvantage is that changes to the projection unit always require changes to the screen.
Aus der US 5, 272, 473 ist bekannt, an eine Bildwand eine Schallquelle anzukoppeln, so dass die von der Schallquelle erzeugten akustischen Wellen die Bildwand zu Schwingungen anregt. Die von der schwingenden Bildwand reflektierten Wellenzüge erzeugen zu jedem Zeitpunkt unterschiedliche Speckle-Interferenzen. Sofern die Schwingungsfrequenz groß genug gewählt wird, werden diese unterschiedlichen Speckle-Interferenzen während der Integrationszeit des Auges gemittelt. Somit wird der Kontrast zwischen den Interferenzmaxima und den Interferenzminima ausgeglichen. Der Speckle-Kontrast wird somit vermindert. Der Speckle- Kontrast wird in diesem Zusammenhang definiert als die mittlere, quadratische Abweichung der Intensität eines jeden Ortes im beleuchteten Gegenstand vom Mittelwert, nominiert auf das Quadrat des Mittelwertes. Nachteilig ist diesem Verfahren ist jedoch, dass sich in der Bildwand stehende Wellen ausbilden und die Speckle-Interferenzen an den Wellenknoten der Bildwand mit unveränderter Intensität entstehen.From US Pat. No. 5,272,473 it is known to couple a sound source to a screen such that the acoustic waves generated by the sound source excite the screen to vibrate. The wave trains reflected by the vibrating screen generate different speckle interference at each instant. If the oscillation frequency is chosen to be large enough, these different speckle interferences are averaged during the integration time of the eye. Thus, the contrast between the interference maxima and the interference minima is compensated. The speckle contrast is thus reduced. The speckle contrast is defined in this context as the mean, square deviation of the intensity of each location in the illuminated object from the mean, nominated to the square of the mean. The disadvantage of this method, however, is that waves forming in the screen form and the speckle interference at the wave nodes of the screen arises with an unchanged intensity.
Aus der JP 2 000 81 602 A ist bekannt, eine Projektions¬ fläche zu verwenden, welche einen ähnlichen Aufbau wie ein Flüssigkristall-Display aufweist. Das eingestrahlteFrom JP 2 000 81 602 A it is known to use a projection surface which has a similar structure to a liquid crystal display. The irradiated
Laserlicht wird an den Molekülen des Flüssigkristalls ebenso wie an einer konventionellen Bildwand reflektiert. Wird jedoch an den Flüssigkristall ein hochfrequentes Niederspannungssignal angelegt, so vibrieren die Flüssig- kristall-Moleküle mit der Frequenz des angelegten Signals. Dadurch werden in gleicher Weise variierende Speckle- Interferenzen erzeugt, welche wiederum während der Integrationszeit des Auges gemittelt werden. Nachteilig an diesem Verfahren zur Verhinderung von Speckle-Inter- ferenzen ist jedoch die technologische Einschränkung hinsichtlich der Abmessungen und die Tatsache, dass derartige Bildwände nicht gebogen oder aufgerollt werden können.Laser light is reflected on the molecules of the liquid crystal as well as on a conventional screen. However, when a high-frequency low-voltage signal is applied to the liquid crystal, the liquid crystal molecules vibrate at the frequency of the applied signal. As a result, varying speckle interferences are generated in the same way, which in turn are averaged during the integration time of the eye. A disadvantage of this method for preventing speckle interference, however, is the technological limitation in terms of dimensions and the fact that such screens can not be bent or rolled up.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Darstellung statischer oder bewegter Bilder mit einer Laserlichtquelle und einer Bildwand anzugeben, bei welcher keine Speckle-Interferenzen auftreten oder auftretende Speckle-Interferenzen soweit reduziert sind, dass diese nicht mehr störend wahrgenommen werden. Dabei soll die Bildwand hinsichtlich Form- und Größe keinen Einschränkungen unterworfen und universell mit allen Arten von Laserlichtquellen einsetzbar sein. Weiterhin sollen Speckle-Interferenzen gleichmäßig über die gesamte Fläche der Bildwand unterdrückt werden.The invention is based on the technical problem of specifying a device for displaying static or moving images with a laser light source and a screen, in which no speckle interference or speckle interference occurring are reduced so much that they are no longer perceived disturbing. The screen should not be limited in terms of form and size and universal be used with all types of laser light sources. Furthermore, speckle interference should be suppressed uniformly over the entire surface of the screen.
Darüber hinaus soll die Bildwand in einfacher Weise auch mit einer kontrasterhöhenden Beschichtung kombinierbar sein.In addition, the screen should be combined in a simple manner with a contrast-enhancing coating.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Darstellung statischer oder bewegter Bilder mit einer Laserlichtquelle (3) und einer Bildwand (1), wobei die Bildwand (1) eine Struktur (2) aufweist, bei welcher ein transmittierter oder reflektierter Laserstrahl an der Grenzfläche zwischen Struktur und Umgebung defokussiert wird. Weiterhin besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zur Darstellung statischer oder bewegter Bilder mit einer Laserlichtquelle und einer Bildwand, bei welchem zeitgleich auf die Bildwand eintreffendes Licht in unterschiedliche Richtungen reflektiert oder transmittiert wird.The object is achieved by a device for displaying static or moving images with a laser light source (3) and a screen (1), wherein the screen wall (1) has a structure (2), wherein a transmitted or reflected laser beam at the interface is defocused between structure and environment. Furthermore, the solution of the object in a method for displaying static or moving images with a laser light source and a screen in which at the same time incident on the screen light is reflected or transmitted in different directions.
Die erfindungsgemäße Bildwand kann sowohl als reflektierende Bildwand für Auflichtprojektion als auch als transmittierende Bildwand für die Durchlichtprojektion eingesetzt werden. Im ersteren Fall besteht die erfindungsgemäße Struktur aus lichtundurchlässigen Elementen, welche Licht an ihrer Oberfläche reflektieren. Im letztgenannten Fall besteht die erfindungsgemäßeThe screen according to the invention can be used both as a reflective screen for incident light projection and as a transmitting screen for the transmitted light projection. In the former case, the structure according to the invention consists of light-impermeable elements which reflect light on its surface. In the latter case, the inventive
Struktur ebenso wie die Bildwand aus einem transluzenten Material, welches das in Rückprojektion eingebrachte Licht transmittiert und an seiner Oberfläche in unterschiedliche Richtungen bricht. Selbstverständlich kann die erfindungs- gemäße Bildwand eine ebene Projektionsfläche aufweisen oder aber gekrümmt sein.Structure as well as the screen of a translucent material, which transmits the introduced in rear projection light and breaks on its surface in different directions. Of course, the invention according to the screen have a flat projection surface or be curved.
Durch die erfindungsgemäße Strukturierung der Bildwand wird Licht, welches auf eng benachbarte Punkte der Bildwand auftrifft in unterschiedliche Richtungen abgegeben. Der Phasenraum des von der Bildwand reflektierten Lichtes wird also in der Winkelkoordinate aufgeweitet. Somit werden zwei an benachbarter Stelle der Bildwand abgegebene Wellenzüge auf unterschiedliche Stellen der Netzhaut auftreffen und sind nicht mehr interferenzfähig. Sofern der Winkelunterschied hinreichend groß ist, kann sogar nur ein Wellenzug auf die Netzhaut auftreffen, während der andere an der Pupille ausgeblendet wird und die Netzhaut nicht ereicht. Damit wird der Speckle-Kontrast wunschgemäß verringert.As a result of the structuring according to the invention of the screen, light which impinges on closely adjacent points of the screen is emitted in different directions. The phase space of the light reflected from the screen is thus widened in the angular coordinate. Thus, two wave trains delivered to adjacent locations on the screen will strike different areas of the retina and are no longer capable of interfering. If the angle difference is sufficiently large, even only one wave train can hit the retina, while the other is hidden at the pupil and the retina does not reach. This reduces the speckle contrast as desired.
Die Struktur kann dabei ein-dimensional ausgeführt werden und sich in der zweiten Richtung in der Ebene transla¬ tionsinvariant fortsetzen. Auf diese Art ergibt sich der Eindruck eines Well- oder Trapezbleches. Die Struktur kann jedoch auch in beiden Richtungen der Bildwand ausgeführt werden. In diesem Fall ergibt sich der Eindruck von auf der Oberfläche aufsitzenden Tropfen, Kugeln, Kugelkappen, Kugelscheiben, Kegeln oder beliebigen Freiformflächen. Dabei wird eine harmonische Oberflächenmodulierung eine homogene Winkelverteilung des reflektierten Lichtes und eine anharmonische Oberflächenmodulierung eine inhomogene Winkelverteilung des reflektierten Lichtes bewirken.In this case, the structure can be embodied in a one-dimensional manner and continue in the second direction in the plane in a translationally invariant manner. This gives the impression of a corrugated or trapezoidal sheet. However, the structure may be performed in both directions of the screen. In this case, the impression of drops, balls, spherical caps, spherical washers, cones or any free-form surfaces sitting on the surface results. In this case, a harmonic surface modulation, a homogeneous angular distribution of the reflected light and an anharmonic surface modulation will cause an inhomogeneous angular distribution of the reflected light.
Bevorzugt beträgt das Verhältnis der Strukturbreite zum Durchmesser des Strahlquerschnittes des Lasers etwa 1:1. Das Verhältnis von Strahlfleckgröße zu Strukturbreite wird dabei derartig gewählt, dass das Laserlicht ein Struktur¬ element zu einem wesentlichen Teil ausleuchtet, so dass eine Breite Emission des von der Bildwand abgestrahlten Lichtes gegeben ist. Die erfindungsgemäße Wirkung wird selbstverständlich auch dann noch erzielt, wenn zweiThe ratio of the structure width to the diameter of the beam cross section of the laser is preferably about 1: 1. The ratio of beam spot size to feature width becomes chosen such that the laser light illuminates a Struktur¬ element to a substantial extent, so that a width emission of the emitted light from the screen is given. The effect of the invention is of course still achieved when two
Strukturelemente zum Teil beleuchtet werden. Zu vermeiden ist jedoch die gleichzeitige Beleuchtung mehrerer Elemente, welche wiederum zur Aussendung zweier Wellenzüge in eine Richtung führen würde.Structure elements are partially illuminated. To avoid, however, is the simultaneous illumination of several elements, which in turn would lead to the emission of two wave trains in one direction.
Die Strukturbreite ist in diesem Fall definiert als die minimale Länge eines Translationsvektors, welcher in der Ebene der Bildwand liegt und ein Strukturelement in sich selbst abbildet.The feature width in this case is defined as the minimum length of a translation vector which lies in the plane of the screen and represents a feature in itself.
Die Oberfläche der Strukturelemente selbst ist bevorzugt glatt ausgeführt, d.h. die Rauheiten sind klein gegenüber der Wellenlänge des Lasers. Besonders bevorzugt weisen die Oberflächen der Strukturen eine Rauheit von weniger als der halben Wellenlänge der Nutzfrequenz des Laserlichtes auf.The surface of the structural elements themselves is preferably smooth, i. the roughnesses are small compared to the wavelength of the laser. Particularly preferably, the surfaces of the structures have a roughness of less than half the wavelength of the useful frequency of the laser light.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die laterale Ausdehnung der Struktur in Abhängigkeit des Strahlquerschnittes und/oder der Scan-Geschwindigkeit und/oder des Strahlquerschnittes und/oder des Strahldurchmessers ausgewählt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Bedingung der Vergrößerung des Abstrahlwinkels an jedem Ort und zu jeder Zeit der Bildprojektion gewährleistet ist. Bevorzugt ist eine Struktur, welche in etwa die Größe eines Pixels aufweist. Sofern der Laserstrahl kontinuierlich über die Bildwand bewegt wird, kann die Struktur in Richtung der Bewegungsrichtung eine Ausdehnung aufweisen, welche durch die Geschwindigkeit des Laserstrahles und die Pixel¬ frequenz bestimmt wird. Dadurch erhält die Bildwand eine asymmetrische Strukturierung. In einer Ausführungsform der Erfindung zeigt der Strukturierung in horizontalerIn a preferred embodiment, the lateral extent of the structure is selected as a function of the beam cross section and / or the scan speed and / or the beam cross section and / or the beam diameter. In this way, it is ensured that the condition of increasing the radiation angle at each location and at any time of the image projection is ensured. A structure which is approximately the size of a pixel is preferred. If the laser beam is continuously moved across the screen, the structure may move in the direction of Movement direction have an extent, which is determined by the speed of the laser beam and the Pixel¬ frequency. This gives the screen an asymmetrical structuring. In one embodiment of the invention, the structuring in horizontal
Richtung Abmaße von einigen hundert μm und in vertikaler Richtung Abmaße von einigen zehn μm.In the direction of dimensions of a few hundred microns and in the vertical direction dimensions of a few tens of microns.
Bei der erfindungsgemäßen Strukturierung handelt es sich im Falle einer Bildwand zur Auflichtprojektion also um eine Anordnung einer Vielzahl von Spiegeln, welche so ausgestaltet und angeordnet sind, dass die Interferenz im Auge des Betrachters vermieden wird. Gleichwohl handelt es sich bei dem reflektierten Licht nach wie vor um kohärente Laserstrahlung. Vorteilhafterweise wird bei dem erfin- dungsgemäßen Projektionsschirm eine Streuung im Volumen der Bildwand vermieden und das Bild erreicht eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Schärfe und Kontrast.In the case of a projection screen for incident light projection, the structuring according to the invention is thus an arrangement of a multiplicity of mirrors which are designed and arranged in such a way that the interference in the observer's eye is avoided. Nevertheless, the reflected light is still coherent laser radiation. Advantageously, in the projection screen according to the invention, a scattering in the volume of the screen is avoided and the image achieves an increased sharpness and contrast compared to the prior art.
Durch das Verhältnis der Höhe der Struktur zu deren Breite kann der Emissionswinkel der erfindungsgemäßen Bildwand in weiten Bereichen eingestellt werden. Besonders bevorzugt ist ein Höhen- zu Bereitenverhältnis von etwa 1:8 bis etwa 1:37. In diesem Fall wird ein senkrecht auf die Bildwand eintreffender Lichtstrahl um maximal etwa ± 40° bis maximal etwa ± 10° abgelenkt. Der größere Ablenkwinkel eignet sich dabei prinzipiell für Bildwände, welche von einem größeren Zuschauerkreis betrachtet werden, wie beispielsweise Kino¬ oder Videoleinwände.By the ratio of the height of the structure to the width of the emission angle of the screen according to the invention can be adjusted within wide ranges. Particularly preferred is a height to ready ratio of about 1: 8 to about 1:37. In this case, a light beam incident perpendicular to the screen is deflected by a maximum of about ± 40 ° to a maximum of about ± 10 °. The larger deflection angle is suitable in principle for image walls, which are viewed by a larger audience circle, such as cinema or video screens.
Durch Verkleinern des Höhen- zu Breitenverhältnisses wird der Abstrahlwinkel der Bildwand auf etwa ± 10° verringert. Solche Bildwände eignen sich beispielsweise für Head-up- Displays, welche nur einen beschränkten Adressatenkreis ansprechen und die Umgebung unbelästigt lassen sollen.By reducing the height to width ratio, the viewing angle of the screen is reduced to about ± 10 °. Such screens are suitable, for example, for head-up displays, which address only a limited audience and should leave the environment unmolested.
Selbstverständlich kann durch asymmetrische Strukturierung auch eine Bildwand mit asymmetrischer Emission erzielt werden, welche beispielsweise weniger Licht an die Raumdecke und den Boden lenkt und dennoch einen breiten Betrachtungswinkel in der Horizontalen erlaubt.Of course, by asymmetric structuring also a screen with asymmetric emission can be achieved, which, for example, directs less light to the ceiling and the floor and still allows a wide viewing angle in the horizontal.
In besonders einfacher Weise kann die erfindungsgemäße Struktur durch Laminieren einer Folie auf einen alsIn a particularly simple manner, the structure according to the invention by lamination of a film as a
Bildwand dienenden Träger hergestellt werden. Die Folie kann dabei beispielsweise durch Prägen mit einer Prägewalze hergestellt werden. Der Fachmann wird dabei selbstverständlich auch in Betracht ziehen, bei entsprechend weichen Trägermaterialien diese direkt durch eine Prägewalze oder auch eine plane Matrix durch Abformen zu strukturieren.Screen serving carrier are produced. The film can be produced for example by embossing with an embossing roll. Of course, the person skilled in the art will also consider, in the case of correspondingly soft carrier materials, to structure these directly by means of an embossing roll or even a planar matrix by means of molding.
Weitere Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen strukturierten Bildwand sind Sputter- oder Auf-dampf- prozesse, galvanische Verfahren, aufpinseln, aufrakeln, aufsprühen oder Eintauchen des Substratmaterials.Further production methods of the structured screen according to the invention are sputtering or vapor deposition processes, electroplating, brushing, knife coating, spraying or dipping of the substrate material.
In diesem Fall können die Strukturen durch Schablonen oder durch strukturierte Fotolackmasken auf dem Substrat erzeugt werden. Alternativ kann eine Laser-Strukturierung oder ein selektiver Ätzprozess verwendet werden. Aus den genannten Strukturierungsverfahren wird der Fachmann in Abhängigkeit der Strukturgröße das jeweils am besten geeignete Verfahren aussuchen. Auf die erfindungsgemäße Struktur kann fakultativ eine Beschichtung aufgebracht werden. Dies ist beispielsweise durch Sputter- oder Spin-Coating-Verfahren in einfacher Weise auch auf großen Flächen möglich. Die konturgenaue Beschichtung der strukturierten Bildwand kann derenIn this case, the patterns may be created by templates or by patterned photoresist masks on the substrate. Alternatively, a laser patterning or a selective etching process may be used. From the said structuring methods, the person skilled in the art will select the most suitable method depending on the structure size. Optionally, a coating can be applied to the structure according to the invention. This is possible, for example, by sputtering or spin-coating method in a simple manner even on large areas. The contour-accurate coating of the structured screen can its
Eigenschaften weiter verbessern, in dem beispielsweise Spiegelungen reduziert oder der Kontrast erhöht werden.Further improve properties such as reducing reflections or increasing the contrast.
Besonders bevorzugt ist die Beschichtung der strukturier¬ ten Bildwand eine spektral selektiv reflektierende Beschichtung, insbesondere eine Beschichtung gemäß der DE 199 01 970 C2 oder gemäß der DE 197 47 597 Al. Diese Beschichtungen reflektieren selektiv das schmalbandige, eingestrahlte Laserlicht und absorbieren oder trans- mittieren einen Großteil des breitbandigen Umgebungslichtes. Somit wird der Kontrast der projizierten Informationen wunschgemäß erhöht. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil die erzielbaren Leuchtstärken der Laserlichtquellen nicht mit denen konventioneller Projektionslampen, wie beispielsweise Halogen- oder Hochdruck-Gasentladungslampen, konkurrieren können.The coating of the structured screen is particularly preferably a spectrally selectively reflecting coating, in particular a coating according to DE 199 01 970 C2 or according to DE 197 47 597 A1. These coatings selectively reflect the narrow band irradiated laser light and absorb or transmit much of the broadband ambient light. Thus, the contrast of the projected information is increased as desired. This is particularly advantageous because the achievable luminous intensity of the laser light sources can not compete with those of conventional projection lamps, such as halogen or high-pressure gas discharge lamps.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand dreier Figuren näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to three figures.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße strukturierte Bildwand bei Beleuchtung mit einer Laserlichtquelle.FIG. 1 shows a structured screen according to the invention when illuminated with a laser light source.
Figur 2 zeigt mögliche Strukturformen im Profil.FIG. 2 shows possible structural shapes in the profile.
Figur 3 zeigt mögliche Anordnungen der Strukturelemente.FIG. 3 shows possible arrangements of the structural elements.
In Figur 1 ist eine Bildwand 1 mit einer erfindungsgemäßen Strukturierung 2 dargestellt. Die Strukturelemente sind in diesem Beispiel halbkugelförmig auf die Bildwand 1 auf- gebracht. Die erfindungsgemäße Bildwand wird mit einer Laserlichtquelle 3 beleuchtet. Dabei ist die Größe der Strukturelemente 2 dergestalt gewählt, dass der Strahlkegel 5 mehrere Strukturelemente 2 beleuchtet. Das Laserlicht wird an der Oberfläche der Strukturelemente 2 reflektiert. Aufgrund der Krümmung der Oberfläche wird das Licht von benachbarten Auftreffpunkten in unterschiedliche Richtungen reflektiert. Daher erreichen Wellenzüge von benachbarten Auftreffpunkten entweder nur das Auge eines Betrachters 4 oder aber innerhalb des Auges einesFIG. 1 shows a screen 1 with a structuring 2 according to the invention. The structural elements are in this example hemispherical on the screen 1 brought. The screen according to the invention is illuminated by a laser light source 3. The size of the structural elements 2 is chosen such that the beam cone 5 illuminates a plurality of structural elements 2. The laser light is reflected on the surface of the structural elements 2. Due to the curvature of the surface, the light is reflected from adjacent points of impact in different directions. Therefore, wave trains from adjacent points of impact either reach only the eye of a viewer 4 or within the eye of one
Betrachters unterschiedliche Punkte der Netzhaut. Somit ist eine Interferenz dieser Wellenzüge nicht mehr möglich und die Speckle-Interferenzen werden wunschgemäß unterdrückt.Viewer's different points of the retina. Thus, interference of these wave trains is no longer possible and the speckle interferences are suppressed as desired.
Figur 2 zeigt mögliche Strukturformen im Profil. Dabei ist in Beispiel A eine Struktur dargestellt, welche aus dicht aneinandergereihten Kugelkappen besteht. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, diese Kugelkappen in regel¬ mäßigen, größeren Abständen anzuordnen wie in Beispiel B gezeigt.FIG. 2 shows possible structural shapes in the profile. In this case, a structure is shown in Example A, which consists of closely lined up spherical caps. However, according to the invention it is also possible to arrange these ball caps in regular, larger intervals as shown in example B.
Beispiel C zeigt Strukturelemente mit unregelmäßigen Abständen. Sofern die Abstandsflächen zwischen den Strukturelementen im Beispiel B und C nicht plan ausgeführt werden, ergibt sich eine Wellenstruktur nach Beispiel D. Eine solche Wellenstruktur kann sowohl eindimensional nach Art eines Wellblechs als auch zweidimensional, etwa wie eine Eierschachtel, ausgeführtExample C shows structural elements with irregular intervals. If the spacing surfaces between the structural elements in example B and C are not flat, the result is a wave structure according to example D. Such a wave structure can be both one-dimensional in the manner of a corrugated sheet and two-dimensional, such as an egg box
werden. Die Figuren I und F zeigen Strukturen, deren erhabene Anteile eine Wellen, d.h. eine Sinus-Form, aufweisen, wo hingegen die negativen Strukturen durch Plane Flächenelemente ersetzt sind.become. FIGS. 1 and F show structures whose raised portions have a wave, ie a sinusoidal shape, in contrast, where the negative structures are replaced by plane surface elements.
Figur 3 zeigt die erfindungsgemäßen Strukturelemente in der Aufsicht. Bei allen in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispielen handelt es sich um zweidimensionale Strukturen, welche Speckle-Interferenzen unter allen Betrachtungswinkeln reduzieren. In Beispiel A sind runde Strukturelemente, etwa Kugel- oder Sinusförmige Strukturelemente, dargestellt, welche durch einfache Translation der Elemente um jeweils eine Strukturbreite aneinandergereiht sind. Beispiel B zeigt identische Strukturelemente, jedoch um eine halbe Elementbreite in einer Richtung versetzt, so dass sich die dichtest mögliche Packung von Strukturelementen pro Flächenelement ergibt. Die beabstandete Anordnung von Strukturelementen, welche in Figur 2 E, 2 C, 2 E und 2 F dargestellt war, bildet im Aufriss die Figuren 3 E und 3F.FIG. 3 shows the structural elements according to the invention in plan view. All exemplary embodiments illustrated in FIG. 3 are two-dimensional structures which reduce speckle interference at all viewing angles. In Example A are round structural elements, such as spherical or sinusoidal structural elements, shown, which are lined up by simple translation of the elements by one structural width in each case. Example B shows identical structural elements, but offset by half an element width in one direction, resulting in the densest possible packing of structural elements per surface element. The spaced arrangement of structural elements, which was shown in Figure 2 E, 2 C, 2 E and 2 F, forms in elevation Figures 3 E and 3F.
In Abhängigkeit des gewünschten Abstrahlwinkels sind auch asymmetrische Anordnungen von Strukturelementen denkbar, welche in einer Abstrahlrichtung einen großen Betrach¬ tungswinkel erlauben, in einer anderen Abstrahlrichtung jedoch nur einen deutlich eingeschränkten Abstrahlwinkel aufweisen. Solche Strukturelemente sind in Figur 3 C, 3 D, 3 G und 3 H dargestellt. Wiederum zeigt Figur 3 C die Anordnung von Strukturelementen, welche um einDepending on the desired radiation angle, asymmetrical arrangements of structural elements are also conceivable which permit a large viewing angle in one emission direction but have only a clearly limited emission angle in another emission direction. Such structural elements are shown in Figure 3 C, 3 D, 3 G and 3 H. Again, Figure 3 C shows the arrangement of structural elements which are around
Strukturelement versetzt sind, analog zu Figur 3 A. Die dichtest mögliche Packung, analog zu Figur 3 B ist in Figur 3 G dargestellt. Selbstverständlich können auch diese asymmetrischen Strukturelemente beabstandet angeordnet werden, wie in Figur 3 D und 3 H dargestellt. Structural element are offset, analogous to Figure 3 A. The densest possible packing, analogous to Figure 3 B is shown in Figure 3 G. Of course, these asymmetric structural elements can be arranged at a distance, as shown in Figure 3 D and 3 H.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Darstellung statischer oder bewegter Bilder mit einer Laserlichtquelle (3) und einer Bildwand (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Bildwand (1) eine Struktur (2) aufweist, bei welcher ein transmittierter oder reflektierter Laserstrahl an der Grenzfläche zwischen Struktur und Umgebung defokussiert wird.1. A device for displaying static or moving images with a laser light source (3) and a screen wall (1), characterized in that the screen wall (1) has a structure (2) in which a transmitted or reflected laser beam at the interface between structure and surroundings are defocused.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (2) eine periodische Struktur umfasst.2. Device according to claim 1, characterized in that the structure (2) comprises a periodic structure.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Strukturbreite zum Durchmesser des Strahlquerschnittes des Lasers etwa 1:1 beträgt.3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the ratio of the structure width to the diameter of the beam cross section of the laser is about 1: 1.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Ausdehnung der Struktur (2) in Abhängigkeit des Strahlquerschnittes und/oder der Scan-Geschwindigkeit und/oder des Strahldurchmessers ausgewählt ist.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the lateral extent of the structure (2) in dependence of the beam cross-section and / or the scan speed and / or the beam diameter is selected.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Höhe der Struktur zu deren Breite etwa 1:8 bis etwa 1:37 beträgt5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the ratio of the height of the structure to its width is about 1: 8 to about 1:37
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur Kugelkappen und/oder6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the structure spherical caps and / or
Kugelscheiben und/oder Kegel und/oder Kegelstümpfe und/oder Rotationsparaboloide und/oder Rotations¬ hyperboloide und/oder Rotationsellipsoide umfasst. Spherical discs and / or cones and / or truncated cones and / or paraboloidal paraboloid and / or Rotations¬ hyperboloid and / or ellipsoids.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur durch Laminieren einer Folie auf einen Träger erhältlich ist.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the structure is obtainable by laminating a film on a support.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur durch Abformen erhältlich ist8. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the structure is obtainable by molding
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Struktur eine Beschichtung vorgesehen ist.9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that a coating is provided on the structure.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine spektral selektive Reflexion bewirkt.10. The device according to claim 9, characterized in that the coating causes a spectrally selective reflection.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur als Reflexionsstruktur ausgebildet ist.11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the structure is formed as a reflection structure.
12. Verfahren zur Darstellung statischer oder bewegter Bilder mit einer Laserlichtquelle (3) und einer Bildwand (1), dadurch gekennzeichnet, dass zeitgleich auf die Bildwand (1) eintreffendes Licht in unter- schiedliche Richtungen reflektiert oder transmittiert wird.12. A method for displaying static or moving images with a laser light source (3) and a screen (1), characterized in that light incident on the screen (1) at the same time is reflected or transmitted in different directions.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zeitgleich auf die Bildwand eintreffendes Licht in mindestens einer Ebene in einen maximalen Winkelbereich von etwa ± 40° reflektiert oder transmittiert wird.13. The method according to claim 12, characterized in that at the same time incident on the screen wall light is reflected or transmitted in at least one plane in a maximum angular range of about ± 40 °.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zeitgleich auf die Bildwand eintreffendes Licht in mindestens einer Ebene in einen maximalen Winkelbereich von etwa ± 10° reflektiert oder transmittiert wird.14. The method according to claim 13, characterized in that at the same time incident on the screen light in at least one plane is reflected or transmitted in a maximum angle range of about ± 10 °.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlquerschnitt und/oder die Scan-Geschwindigkeit und/oder der Strahldurchmesser auf die laterale Ausdehnung der Struktur (2) angepasst wird. 15. The method according to any one of claims 12 to 14, characterized in that the beam cross section and / or the scan speed and / or the beam diameter is adapted to the lateral extent of the structure (2).
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